代码收藏家技术教程 2023-01-02

单周期MIPS处理器的设计

MIPS CPU(处理器)的设计

一、MIPS指令

1.指令格式

1.1 R型指令

（1）R型指令格式

000000 (op)	Rs	Rt	Rd	shamt	funct
6bits	5bits	5bits	5bits	5bits	6bits

注意： 该类型指令操作数和保存结果均通过寄存器进行。

操作	含义
op	操作码，所有R型指令都全为0
rs	寄存器编号，对应第一个源操作数
rt	寄存器编号，对应第二个源操作数
rd	寄存器编号，保存结果
shamt	常数，在移位指令中使用
funct	功能码，指定指令的具体功能

（2）具体R型指令
注意: R型指令根据操作的寄存器数可以分为三种不同类型。

【1】带有3个寄存器

指令	[25 : 21]	[20 : 16]	[15 : 11]	[5 : 0]	指令功能
add	rs	rt	rd	100000	寄存器加
sub	rs	rt	rd	100010	寄存器减
and	rs	rt	rd	100100	寄存器与
or	rs	rt	rd	100101	寄存器或
xor	rs	rt	rd	100110	寄存器异或

	$rd = $rs op $rt

【2】带有2个寄存器

指令	[20 : 16]	[15 : 11]	[10 : 6]	[5 : 0]	指令功能
sll	rt	rd	sa	100000	逻辑左移
srl	rt	rd	sa	000010	逻辑右移
sll	rt	rd	sa	000011	算术右移

	$rd = $rt shift sa

【3】带有1个寄存器

指令	[31 : 26]	[25 : 21]	[20 : 16]	[15 : 11]	[10 : 6]	[5 : 0]	指令功能
jr	000000	rs	00000	00000	00000	001000	寄存器跳转

	jr rs;
	PC = rs

1.2 I型指令

（1）I型指令格式

OP	Rs	Rt	imm（立即数）
6bits	5bits	5bits	16bits

注意：操作数中涉及立即数，结果保存到寄存器

操作	含义
op	标识指令的操作功能
rs	第一个源操作数，是寄存器操作数
rt	目的寄存器编号，用来保存运算结果
imm	第二个源操作数，立即数

（2）具体I型指令
注意： I型指令存在4种不同的类型

【1】面向运算的I型指令

指令	[31 : 26]	[25 : 21]	[20 : 16]	[15 : 0]	指令功能
addi	001000	rs	rt	imm	寄存器和立即数“加”
andi	001100	rs	rt	imm	寄存器和立即数“
ori	001101	rs	rt	imm	寄存器和立即数“或”
xori	001110	rs	rt	imm	寄存器和立即数“异或”

第一条指令是对立即数进行符号拓展，其他都是0拓展
addi rt, rs, imm;
$rt = $rs op E(imm)

【2】面向访存的I型指令

指令	[31 : 26]	[25 : 21]	[20 : 16]	[15 : 0]	指令功能
lw	100011	rs	rt	imm	从存储器种读取数据
sw	101011	rs	rt	imm	把数据保存到存储器

MIPS 32中唯一两条访问存储器的指令（RISC）
lw rt, imm(rs) #rt = mem [ rt = mem[rt=mem[rs+E(imm)]
sw rt, imm(rs) #mem [ mem[mem[rs+E(imm)] = $rt

【3】面向数位设置的I型指令

指令	[31 : 26]	[25 : 21]	[20 : 16]	[15 : 0]	指令功能
lui	001111	00000	rt	imm	设置寄存器的高16位

lui rt, imm #$rt = imm<<16(空位补0）

【4】面向条件转移（分支）的I型指令

指令	[31 : 26]	[25 : 21]	[20 : 16]	[15 : 0]	指令功能
beq	000100	rs	rt	imm	寄存器相等则转移
bne	000101	rs	rt	imm	寄存器不相等则转移

beq rs, rt, imm #if(rs = = rt) PC=PC+E(imm)<<2
bne rs, rt, imm #if(rs ! = rt) PC=PC+E(imm)<<2
标准的PC相对寻址方式

1.3 J型指令

（1）J型指令格式

OP	立即数
6bits	26bits

（2）具体J型指令

指令	[31 : 26]	[25 : 0]	指令功能
j	000010	address	无条件跳转
jal	001100	address	调用与联接

j address;
$ PC=($PC+4)H4 U (address<<2)

jal address;
$ra = $PC+4(保存返回地址)
$ PC=($PC+4)H4 U (address<<2)

2.指令功能

MIPS 指令集(共31条）


助记符	指令格式						示例	示例含义	操作及其解释
Bit #	31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
R-type	op	rs	rt	rd	shamt	func
add	000000	rs	rt	rd	00000	100000	add $1,$2,$3	$1=$2+$3	rd <- rs + rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1
addu	000000	rs	rt	rd	00000	100001	addu $1,$2,$3	$1=$2+$3	rd <- rs + rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1,无符号数
sub	000000	rs	rt	rd	00000	100010	sub $1,$2,$3	$1=$2-$3	rd <- rs – rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1
subu	000000	rs	rt	rd	00000	100011	subu $1,$2,$3	$1=$2-$3	rd <- rs – rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1,无符号数
and	000000	rs	rt	rd	00000	100100	and $1,$2,$3	$1=$2 & $3	rd <- rs & rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1
or	000000	rs	rt	rd	00000	100101	or $1,$2,$3	$1=$2 \| $3	rd <- rs \| rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1
xor	000000	rs	rt	rd	00000	100110	xor $1,$2,$3	$1=$2 ^ $3	rd <- rs xor rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1(异或）
nor	000000	rs	rt	rd	00000	100111	nor $1,$2,$3	$1=~($2 \| $3)	rd <- not(rs \| rt) ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1(或非）
slt	000000	rs	rt	rd	00000	101010	slt $1,$2,$3	if($2<$3) $1=1 else $1=0	if (rs < rt) rd=1 else rd=0 ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1
sltu	000000	rs	rt	rd	00000	101011	sltu $1,$2,$3	if($2<$3) $1=1 else $1=0	if (rs < rt) rd=1 else rd=0 ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1 (无符号数）
sll	000000	00000	rt	rd	shamt	000000	sll $1,$2,10	$1=$2<<10	rd <- rt << shamt ；shamt存放移位的位数，也就是指令中的立即数，其中rt=$2, rd=$1
srl	000000	00000	rt	rd	shamt	000010	srl $1,$2,10	$1=$2>>10	rd <- rt >> shamt ；(logical) ，其中rt=$2, rd=$1
sra	000000	00000	rt	rd	shamt	000011	sra $1,$2,10	$1=$2>>10	rd <- rt >> shamt ；(arithmetic) 注意符号位保留其中rt=$2, rd=$1
sllv	000000	rs	rt	rd	00000	000100	sllv $1,$2,$3	$1=$2<<$3	rd <- rt << rs ；其中rs＝$3，rt=$2, rd=$1
srlv	000000	rs	rt	rd	00000	000110	srlv $1,$2,$3	$1=$2>>$3	rd <- rt >> rs ；(logical)其中rs＝$3，rt=$2, rd=$1
srav	000000	rs	rt	rd	00000	000111	srav $1,$2,$3	$1=$2>>$3	rd <- rt >> rs ；(arithmetic) 注意符号位保留其中rs＝$3，rt=$2, rd=$1
jr	000000	rs	00000	00000	00000	001000	jr $31	goto $31	PC <- rs
I-type	op	rs	rt	immediate
addi	001000	rs	rt	immediate	addi $1,$2,100	$1=$2+100	rt <- rs + (sign-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2
addiu	001001	rs	rt	immediate	addiu $1,$2,100	$1=$2+100	rt <- rs + (zero-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2
andi	001100	rs	rt	immediate	andi $1,$2,10	$1=$2 & 10	rt <- rs & (zero-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2
ori	001101	rs	rt	immediate	ori $1,$2,10	$1=$2 \| 10	rt <- rs \| (zero-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2
xori	001110	rs	rt	immediate	xori $1,$2,10	$1=$2 ^ 10	rt <- rs xor (zero-extend)immediate ；其中rt=$1,rs=$2
lui	001111	00000	rt	immediate	lui $1,100	$1=100*65536	rt <- immediate*65536 ；将16位立即数放到目标寄存器高16 位，目标寄存器的低16位填0
lw	100011	rs	rt	immediate	lw $1,10($2)	$1=memory[$2 +10]	rt <- memory[rs + (sign-extend)immediate] ；rt=$1,rs=$2
sw	101011	rs	rt	immediate	sw $1,10($2)	memory[$2+10] =$1	memory[rs + (sign-extend)immediate] <- rt ；rt=$1,rs=$2
beq	000100	rs	rt	immediate	beq $1,$2,10	if($1==$2) goto PC+4+40	if (rs == rt) PC <- PC+4 + (sign-extend)immediate<<2
bne	000101	rs	rt	immediate	bne $1,$2,10	if($1!=$2) goto PC+4+40	if (rs != rt) PC <- PC+4 + (sign-extend)immediate<<2
slti	001010	rs	rt	immediate	slti $1,$2,10	if($2<10) $1=1 else $1=0	if (rs <(sign-extend)immediate) rt=1 else rt=0 ；其中rs＝$2，rt=$1
sltiu	001011	rs	rt	immediate	sltiu $1,$2,10	if($2<10) $1=1 else $1=0	if (rs <(zero-extend)immediate) rt=1 else rt=0 ；其中rs＝$2，rt=$1
J-type	op	address
j	000010	address	j 10000	goto 10000	PC <- (PC+4)[31…28],address,0,0 ；address=10000/4
jal	000011	address	jal 10000	$31<-PC+4; goto 10000	$31<-PC+4；PC <- (PC+4)[31…28],address,0,0 ；address=10000/4

3.指令功能的RTL描述

补：寄存器传送语言(RTL)

用R[r]表示寄存器堆中寄存器r的内容。
用M[addr]表示读取存储单元addr的内容
传送方向用←表示，传送源在右，目的在左。
程序计数器PC直接用PC表示其内容。

指令	功能	说明
add rd,rs,rt	M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]+R[rt]	从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs、rt中取数后相加，若溢出则异常处理，否则结果送rd
sub rd,rs,rt	M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]-R[rt]	从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs、rt中取数后相减，若溢出则异常处理，否则结果送rd
subu rd,rs,rt	M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]-R[rt]	从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs、rt中取数后相减，结果送rd(不进行溢出判断)
slt rd,rs,rt	if(R[s]<R[t]) R[d]←1 else R[d]←0	从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs、rt中按带符号整数来判断两数大小，小于则rd为1，反之为0
sltu rd,rs,rt	if(R[s]<R[t]) R[d]←1 else R[d]←0	从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs、rt中按无符号整数来判断两数大小，小于则rd为1，反之为0
ori rt,rs,imm16	R[rt]←R[rs]\|ZeroExt(imm16)	从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs取数，将imm16进行零扩展，然后两者按位或，结果送rt
addiu rt,rs,imm16	R[rt]←R[rs]+SignExt(imm16)	从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs取数，将imm16进行符号扩展，然后两者相加，结果送rt
lw rt,rs,imm16	Addr←R[rs]+SignExt(imm16) R[rt]←M[Addr]	从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs取数，将imm16进行符号扩展，然后两者相加，结果作为访存地址Addr，从Addr中取数并送rt
sw rt,rs,imm16	Addr←R[rs]+SignExt(imm16) M[Addr]←R[rt]	从PC所指的内存单元中取指令，并加4.从rs取数，将imm16进行符号扩展，然后两者相加，结果作为访存地址Addr，将rt送Addr中
beq rs,rt,imm16	Cond←R[rs]-R[rt] if(Cond eq 0) PC←PC+4+(SignExt(imm16)*4)	从PC所指的内存单元中取指令，并加4.做减法以比较rs和rt中内容的大小，并计算下一条指令的地址，然后修改PC
j target	PC<31: 2>←PC<31: 28> \|\| target<25: 0>	第一步无需进行PC+4而直接计算目标地址，符号\|\|表示拼接

4.本实验的具体的指令

(1)指令：addu

指令名称：无符号加

指令格式：addu rd,rs,rt

指令功能：

IM[PC]；取指令（公共操作，取指部件完成）

R[rd] ←R[rs] + R[rt]；从rs、rt 所指的寄存器中取数后相加，结果送rd 所指的寄存器中

PC ← PC + 4；计算下地址（公共操作，取指部件完成）

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
000000	rs	rt	rd	00000	100001

(2)指令：subu

指令名称：无符号减

指令格式：subu rd,rs,rt

指令功能：

IM[PC];从PC所指的内存单元中取指令

R[rd] ←R[rs]- R[rt];从rs、rt 所指的寄存器中取数后相减，结果送rd 所指的寄存器中

PC ← PC + 4；计算下地址（公共操作，取指部件完成）

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
000000	rs	rt	rd	00000	100011

(3)指令：ori

指令名称：或立即数

指令格式：ori rt,rs,imm16

指令功能：

IM[PC]；取指令（公共操作，取指部件完成）

R[rt] ← R[rs] or ZeroExt(imm16)；立即数零扩展，并与rs内容做“或”运算

PC ← PC + 4 ；计算下地址（公共操作，取指部件完成）

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
001101	rs	rt	imm16

(4)指令：lw

指令名称：加载字

格式：lw rt, imm16(rs)

指令功能：

IM[PC];从PC所指的内存单元中取指令

addr ← R[rs] + SignExt(imm16) ; 计算数据地址 (立即数要进行符号扩展)

R[rt] ← DM[addr]; 从存储器中取出数据，装入到寄存器中

PC ← PC + 4；计算下地址（公共操作，取指部件完成）

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
100011	rs	rt	imm16

(5)指令：sw

指令名称：存储字

指令格式：sw rt, imm16(rs)

指令功能：

IM[PC]；取指令（公共操作，取指部件完成）

addr ← R[rs] + SignExt(imm16) ；计算存储单元地址（符号扩展！）

DM[addr] ← R[rt] ；寄存器rt中的内容存到内存单元中

PC ← PC + 4； 计算下地址（公共操作，取指部件完成）

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
101011	rs	rt	imm16

(6)指令：beq

指令名称：等于转移

指令格式：beq rs,rt, imm16

指令功能：

IM[PC]；取指令（公共操作，取指部件完成）

Cond ← R[rs] - R[rt]   ；做减法比较rs和rt中的内容

if (COND == 0) ；计算下地址（根据比较结果，修改PC）

PC ← PC + 4 + ( SignExt(imm16) * 4 )

  else

PC ← PC + 4

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
000100	rs	rt	imm16

(7)指令：j

指令名称：跳转并链接

指令格式：j target < 25:0 >

指令功能：

IM[PC] ；取指令（公共操作，取指部件完成）

PC < 31:2 > ← PC < 31:28 > ， target < 25:0 > ；计算目标地址

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
000010	target < 25:0 >

(8)指令：and

指令格式：and rd,rs,rt

指令功能：rd ←rs & rt

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
000000	rs	rt	rd	00000	100100

(9)指令：or

指令格式：or rd,rs,rt

指令功能：rd ←rs | rt

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
000000	rs	rt	rd	00000	100101

(10)指令：xor

逻辑异或

指令格式：xor rd,rs,rt

指令功能：rd ←rs ^ rt

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
000000	rs	rt	rd	00000	100110

(11)指令：nor

逻辑或非

指令格式：nor rd,rs,rt

指令功能：rd ←~(rs | rt )

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
000000	rs	rt	rd	00000	100111

(12)指令：addiu

加无符号立即数

指令格式：addiu rt,rs,imm16

指令功能：rt ← rs+ (zero-extend)imm16

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
001001	rs	rt	immediate

(13)指令：andi

与立即数

指令格式：andi rt,rs,imm16

指令功能：rt ← rs& (zero-extend)imm16

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
001100	rs	rt	immediate

(14)指令：xori

异或立即数

指令格式：xori rt,rs,imm16

指令功能：rt ← rs ^ (zero-extend)imm16

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
001110	rs	rt	immediate

(15)指令：bne

不等于转移

指令格式：bne rs,rt, imm16

指令功能： if (rs != rt) PC ← PC+4 + (sign-extend)imm16<<2

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
000101	rs	rt	immediate

(16)指令：jal

跳转并链接

指令格式：jal addr26

指令功能：$31<-PC+4；PC ←(PC+4)[31…28],addr26,0,0

指令编码：

31…26	25…21	20…16	15…11	10…6	5…0
op	rs	rt	rd	shamt	func
000011	address

二、数据通路的设计

以上的指令包括以下几种与指令有关的数据通路：

指令——寄存器组：R格式指令均为寄存器指令，需要指令提供寄存器地址

指令——运算单元（ALU）：运算指令由指令提供运算类型，同时提供参与运算的立即数和位移量

指令——存储器：load/store指令的寻址方式仅为寄存器偏移量寻址，需要指令提供立即数偏移量

指令——PC：J格式指令需要将指令中的立即数载入PC中

同时还有几种必备的与指令无关的数据通路：

寄存器组——运算单元（ALU）：寄存器组为运算单元提供操作数，运算结果存在寄存器组中

寄存器组——存储器：load/store指令的两端

寄存器组——PC：跳转指令与寄存器组有关

当使用哈弗结构时，数据通路框图如下所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-gzH7vaVM-1642646412830)(C:\Users\ASUS\Desktop\思维导图\计算机组成原理\MIPSCPU\相关图片\7241055-efcd9bb60656ba25.png)]

1.组合逻辑元件和存储元件

1.1 PC

(1)基本描述

PC是指令计数器，主要功能是完成输出当前指令地址并保存下一条指令地址。复位后，PC指向0x0000_3000，此处为第一条指令的地址。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VLIKOxEJ-1642646412831)(C:\Users\ASUS\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211202223129607.png)]

(2)模块接口

信号名	方向	描述
[31:2]NPC	I	下条指令的地址
PCWr	I	PC写使能 1：允许NPC写入PC内部寄存器 0：禁止NPC写入PC内部寄存器
clk	I	时钟信号
rst	I	复位信号。 1：复位 0：无效
[31:2]PC	O	30位指令存储器地址(最低2位省略)

(3)功能定义

序号	功能名称	功能描述
1	复位	if rst=1，PC←0x0000_3000。
2	保存NPC并输出	Clk上升沿。 if rst=0,PC←NPC。

(4)模块描述

module PC( clk, rst, PCWr, NPC, PC );
   input         clk;
   input         rst;
   input         PCWr;
   input  [31:2] NPC;
   output [31:2] PC;
   reg [31:2] PC;
   reg [1:0] tmp;
   always @(posedge clk or posedge rst) begin
      if ( rst ) 
         {PC, tmp} <=32'h0000_3000;
      else if ( PCWr ) 
         PC <= NPC;
   end            
endmodule

1.2 NPC

[Next PC – 下指令部件]

(1)基本描述

NPC是下条指令计数器，主要功能是计算下一条指令地址，NPCOp[1:0]决定如何计算NPC，与PC配合使用。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-woeZabjU-1642646412831)(C:\Users\ASUS\Desktop\思维导图\计算机组成原理\MIPSCPU\相关图片\NPC.PNG)]

(2)模块接口

信号名	方向	描述
PC[31:2]	I	30位本条指令的地址(最低2位省略)
Imm[25:0]	I	立即数(偏移量)
NPCOp[1:0]	I	计算方式
NPC[31:2]	O	30位下一条指令地址(最低2位省略)

(3)功能定义

NPCOp	功能	操作
00	顺序地址	NPC ←PC + 1
01	计算B指令转移地址	NPC ←PC +{ sign_ext(imm16) }
10	计算J类指令转移地址	NPC← {PC[31:28], imm26}
11	…	…

(4)模块描述

module NPC( PC, NPCOp, IMM, NPC );
   input  [31:2] PC;
   input  [1:0]  NPCOp;
   input  [25:0] IMM;
   output [31:2] NPC;
   reg [31:2] NPC;
   always @(*) begin
      case (NPCOp)
          {00}: NPC <=  PC+1;
          {01}: NPC <=  PC +{ {14{IMM[15]}},IMM[15:0] };
          {10}: NPC <=  {PC[31:28], IMM[25:0] };
          default: ;
      endcase
   end    
endmodule

1.3 flopr模块（触发器）

(1)基本描述

存储器数据寄存器MDR、存储器地址寄存器MAR、暂存器A、暂存器B、ALU运算结果寄存器ALUOut是由flopr模块实例化，主要功能是数据缓冲，由带复位的D触发器构成。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-V5g39zkR-1642646412831)(C:\Users\ASUS\Desktop\思维导图\计算机组成原理\MIPSCPU\相关图片\flopr.PNG)]

(2)模块接口

信号名	方向	描述
[WIDTH-1:0] d	I	输入数据
rst	I	复位信号
clk	I	时钟信号
[WIDTH-1:0] q	O	输出数据

(3)功能定义

序号	功能名称	功能描述
1	数据复位	if rst=0, q←d
2	数据缓冲	if rst=1, q←0

(4)模块描述

module flopr(clk,rst,d,q);
   input clk;
   input rst;
   input  [31:0] d;
   output [31:0] q;
   reg [31:0] q_r;
   always @(posedge clk or posedge rst) 
   begin
      if ( rst ) 
       q_r <=0;
      else 
       q_r <=d;
   end
   assign q = q_r;
endmodule

1.31 DM

[Data Memory – 数据内存]

信号名	方向	描述
addr	I	读/写数据地址
din	I	内存写入总线
wEn	I	写使能信号
clk	I	时钟信号
dout	O	数据输出总线

序号	功能名称	功能描述
1	写入数据	当写使能信号有效时，在每个时钟上升沿将写入总线的数据写进相应内存地址中
2	读出数据	将指定地址的数据通过数据输出总线进行输出

module dm_4k( addr, din, DMWr, clk, dout );

   input  [9:0] addr;
   input  [31:0] din;
   input         DMWr;
   input         clk;
   output [31:0] dout;

   reg [31:0] dmem[1023:0];

   always @(posedge clk) begin
      if (DMWr)
         dmem[addr] <= din;
         $display("dmem[0-4-16]=%8X, %8X, %8X",  dmem[0], dmem[1], dmem[16]);
   end // end always

   assign dout = dmem[addr];

endmodule

1.32 IM

[Instruction Memory – 指令内存]

信号名	方向	描述
iaddr	I	当前需要执行的指令地址
ins	O	指令输出

序号	功能名称	功能描述
1	写入指令	使用 $readmemh 函数将 code.txt 中的指令写入指令内存中
2	读出指令	根据得到的指令地址从指令内存中读出相应的指令数据

module im_4k( addr, dout );

    input [9:0] addr;
    output [31:0] dout;

    reg [31:0] imem[1023:0];

    assign dout = imem[addr];

endmodule

1.4 MUX

[Multiplexer – 选择器]

信号名	方向	描述
a	I	缺省输入信号
b	I	选择输入信号
ctrl_s	I	选通控制信号
dout	O	选择器输出

序号	功能名称	功能描述
1	缺省输出	当选通控制信号无效时，选择器输出缺省输入信号
2	选择输出	当选通控制信号有效时，选择器输出选择输入信号

module mux #(parameter WIDTH = 32) (a, b, ctrl_s, dout);
	input 	[WIDTH - 1:0] 	a;
	input 	[WIDTH - 1:0] 	b;
	input 		ctrl_s;

	output 	[WIDTH - 1:0]	dout;

	assign dout = ctrl_s? b: a;

endmodule // Multiplexer;

1.5 RF

[Register File – 寄存器堆]

(1)基本描述

RF主要功能是保存寄存器文件，并支持对通用寄存器的访问。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-RwxUGwvh-1642646412832)(C:\Users\ASUS\Desktop\思维导图\计算机组成原理\MIPSCPU\相关图片\RF.PNG)]

(2)模块接口

信号名	方向	描述
A1 [4:0]	I	需要读的寄存器1的地址
A2 [4:0]	I	需要读的寄存器2的地址
A3 [4:0]	I	需要写的寄存器的地址
WD [31:0]	I	需要写的寄存器的数据
RFWr	I	寄存器写使能端 0：寄存器不写 1：寄存器写
clk	I	时钟信号
RD1 [31:0]	O	需要读的寄存器1的数据
RD2 [31:0]	O	需要读的寄存器2的数据

(3)功能定义

序号	功能名称	功能描述
1	读取通用寄存器	根据输入的RS、RT域的值，输出相应通用寄存器所存储的数据。 RD1←RF[A1]；RD2←RF[A2]
2	写回通用寄存器	当RF写使能有效时，将待写的数据写入给定地址的通用寄存器中。 Clk上升沿时 if (RFWr) then RF[A3]←WD

(4)模块描述

`define DEBUG 1
module RF( A1, A2, A3, WD, clk, RFWr, RD1, RD2 );
   input  [4:0]  A1, A2, A3;
   input  [31:0] WD;
   input         clk;
   input         RFWr;
   output [31:0] RD1, RD2;
   reg [31:0] rf[31:0];
   integer i;
   initial begin
        for (i=0; i<32; i=i+1)
           rf[i] <= 0;
        end
   always @(posedge clk) begin
      if (RFWr)
      rf[A3] <= WD;
      `ifdef DEBUG
         $display("R[00-07]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X", 0, rf[1], rf[2], rf[3], rf[4], rf[5], rf[6], rf[7]);
         $display("R[08-15]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X", rf[8], rf[9], rf[10], rf[11], rf[12], rf[13], rf[14], rf[15]);
         $display("R[16-23]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X", rf[16], rf[17], rf[18], rf[19], rf[20], rf[21], rf[22], rf[23]);
         $display("R[24-31]=%8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X, %8X", rf[24], rf[25], rf[26], rf[27], rf[28], rf[29], rf[30], rf[31]);
      `endif
   end 
   
   assign RD1 = rf[A1];
   assign RD2 =rf[A2];
   
endmodule

1.6 EXT

[Extender – 扩展器]

信号名	方向	描述
imm16	I	I-指令的16位立即数
extOp	I	扩展器控制信号
dout	O	扩展器输出总线

序号	功能名称	功能描述
1	逻辑扩展	当控制信号无效时，对输入的16位立即数逻辑扩展为32位
2	算术扩展	当控制信号有效时，对输入的16位立即数算术扩展为32位

module ext (imm16, extOp, dout);
    input                extOp;
    input       [15:0]   imm16;
    output reg  [31:0]   dout;

    always @ ( * ) begin
        case (extOp)
            0: dout = {16'h0000, imm16};// Logical Cal;
            1: dout = {{16{imm16[15]}}, imm16};// Arithmetic Cal;;
        endcase
    end
endmodule // Extender;

1.7 IR

[指令寄存器]

(1)基本描述

IR主要功能是完成对来自IM的指令的缓冲。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FAylh2U7-1642646412833)(C:\Users\ASUS\Desktop\思维导图\计算机组成原理\MIPSCPU\相关图片\IR.PNG)]

(2)模块接口

信号名	方向	描述
[31:0] im_dout;	I	指令输入
IRWr	I	写使能信号
rst	I	复位信号
clk	I	时钟信号
[31:0] instr;	O	指令输出

(3)功能定义

序号	功能名称	功能描述
1	复位	if rst=1, instr←0
2	缓冲	if rst=0, instr←im_dout

(4)模块描述

module IR (clk, rst, IRWr, im_dout, instr);
   input         clk;
   input         rst;
   input         IRWr; 
   input  [31:0] im_dout;
   output [31:0] instr;
   reg [31:0] instr;
   always @(posedge clk or posedge rst) begin
      if ( rst ) 
     	instr <= 0;
      else if (IRWr)
          instr <=im_dout;
   end 
endmodule

2.算术逻辑部件的设计（ALU）

Arithmetic Logic Unit – 算术逻辑单元

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-V21ILpEY-1642646412833)(C:\Users\ASUS\Desktop\思维导图\计算机组成原理\MIPSCPU\相关图片\ALU.png)]

11条目标指令对应的4种ALU操作

指令	功能	运算类型
add rd,rs,rt	M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]+R[rt]	加(判溢出)
sub rd,rs,rt	M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]-R[rt]	减(判溢出)
subu rd,rs,rt	M[PC],PC←PC+4 R[rd]←R[rs]-R[rt]	减(不判溢出)
slt rd,rs,rt	if(R[s]<R[t]) R[d]←1 else R[d]←0	减(不判溢出) 带符号整数比较大小
sltu rd,rs,rt	if(R[s]<R[t]) R[d]←1 else R[d]←0	减(不判溢出) 无符号整数比较大小
ori rt,rs,imm16	R[rt]←R[rs]\|ZeroExt(imm16)	按位或(不判溢出)
addiu rt,rs,imm16	R[rt]←R[rs]+SignExt(imm16)	加(不判溢出)
lw rt,rs,imm16	Addr←R[rs]+SignExt(imm16) R[rt]←M[Addr]	加(不判溢出)
sw rt,rs,imm16	Addr←R[rs]+SignExt(imm16) M[Addr]←R[rt]	加(不判溢出)
beq rs,rt,imm16	Cond←R[rs]-R[rt] if(Cond eq 0) PC←PC+4+(SignExt(imm16)*4)	减(判0) 加(不判溢出)
j target	PC<31: 2>←PC<31: 28> \|\| target<25: 0>	无须ALU运算

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-RM5yzeOz-1642646412833)(C:\Users\ASUS\Desktop\思维导图\计算机组成原理\MIPSCPU\相关图片\ALU1.png)]

信号名	方向	描述
A [31:0]	I	操作数A
B [31:0]	I	操作数B
ALUCtrl[2:0]	I	需要进行的运算 000：加法 001：减法 01l：与运算 110：或运算
Zero	O	两操作数是否相等
C [31:0]	O	运算结果

ALUCtrl	功能	操作
—-	A等于B?	Zero ← (A==B) ? 1 : 0
000	加	C ← A + B
001	减	C ← A – B
010	与	C ←A & B
110	或	C ←A \| B
…	…	…

module alu (A, B, ALUOp, C, Zero);

   input  [31:0] A, B;
   input  [1:0]  ALUOp;
   output [31:0] C;
   output        Zero;

   reg [31:0] C;

   always @( A or B or ALUOp ) begin
      case ( ALUOp )
         `ALUOp_ADDU: C = A + B;
         `ALUOp_SUBU: C = A - B;
         `ALUOp_OR:   C = A | B;
         //`ALUOp_AND:  C = A & B;
         //`ALUOp_XOR:  C = A ^ B;
         default:   ;
      endcase
   end // end always;

   assign Zero = (A == B) ? 1 : 0;

endmodule

3. 单周期MIPS处理器数据通路

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ifS2BEVo-1642646412834)(C:\Users\ASUS\Desktop\思维导图\计算机组成原理\MIPSCPU\相关图片\单周期CPU数据通路的设计.png)]
|
| C [31:0] | O | 运算结果 |

ALUCtrl	功能	操作
—-	A等于B?	Zero ← (A==B) ? 1 : 0
000	加	C ← A + B
001	减	C ← A – B
010	与	C ←A & B
110	或	C ←A \| B
…	…	…

module alu (A, B, ALUOp, C, Zero);

   input  [31:0] A, B;
   input  [1:0]  ALUOp;
   output [31:0] C;
   output        Zero;

   reg [31:0] C;

   always @( A or B or ALUOp ) begin
      case ( ALUOp )
         `ALUOp_ADDU: C = A + B;
         `ALUOp_SUBU: C = A - B;
         `ALUOp_OR:   C = A | B;
         //`ALUOp_AND:  C = A & B;
         //`ALUOp_XOR:  C = A ^ B;
         default:   ;
      endcase
   end // end always;

   assign Zero = (A == B) ? 1 : 0;

endmodule

3. 单周期MIPS处理器数据通路

[外链图片转存中…(img-ifS2BEVo-1642646412834)]

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物联沃-IOTWORD物联网 » 单周期MIPS处理器的设计

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MIPS CPU(处理器)的设计

一、MIPS指令

1.指令格式

1.1 R型指令

1.2 I型指令

1.3 J型指令

2.指令功能

3.指令功能的RTL描述

4.本实验的具体的指令

(1)指令：addu

(2)指令：subu

(3)指令：ori

(4)指令：lw

(5)指令：sw

(6)指令：beq

(7)指令：j

(8)指令：and

(9)指令：or

(10)指令：xor

(11)指令：nor

(12)指令：addiu

(13)指令：andi

(14)指令：xori

(15)指令：bne

(16)指令：jal

二、数据通路的设计

1.组合逻辑元件和存储元件

1.1 PC

(1)基本描述

(2)模块接口

(3)功能定义

(4)模块描述

1.2 NPC

(1)基本描述

(2)模块接口

(3)功能定义

(4)模块描述

1.3 flopr模块（触发器）

(1)基本描述

(2)模块接口

(3)功能定义

(4)模块描述

1.31 DM

1.32 IM

1.4 MUX

1.5 RF

(1)基本描述

(2)模块接口

(3)功能定义

(4)模块描述

1.6 EXT

1.7 IR

(1)基本描述

(2)模块接口

(3)功能定义

(4)模块描述

2.算术逻辑部件的设计（ALU）

3. 单周期MIPS处理器数据通路

3. 单周期MIPS处理器数据通路

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